5.1 I/O 系统基本概念

I/O 设备按使用特性分类：

• 存储设备：磁盘、磁带、光盘。
• 输入输出设备：键盘、鼠标、显示器、打印机。
• 通信设备：网卡、调制解调器。

I/O 设备按信息传输单位分类：

• 块设备：以数据块为单位传输，如磁盘。可寻址、可随机访问。
• 字符设备：以字符为单位传输，如键盘、打印机。不可寻址、通常顺序访问。

I/O 控制方式

I/O 控制方式的发展目标是减少 CPU 对 I/O 的干预，提高 CPU 与 I/O 设备的并行程度。共有四种控制方式：

1. 程序查询方式

CPU 不断轮询设备状态寄存器，判断 I/O 是否完成。CPU 与 I/O 串行工作，效率最低，仅适用于简单、低速设备。

2. 程序中断方式

CPU 发出 I/O 命令后继续执行其他任务；设备完成 I/O 后向 CPU 发中断信号；CPU 响应中断，执行中断服务程序完成数据传输。

• 优点：CPU 与设备并行工作，利用率提高。
• 缺点：每传输一个字就要中断一次，中断处理开销大；不适用于高速设备。

3. DMA 方式 (Direct Memory Access)

DMA 的工作过程：

• CPU 向 DMAC 发出 I/O 命令（含读/写、内存地址、传输字数）。
• DMAC 独立控制数据传输，每传输一个字，DMAC 自动修改内存地址和计数器。
• 整块数据传输完毕，DMAC 向 CPU 发中断信号。
• CPU 响应中断，进行后续处理。

DMA 与中断方式的区别：

交互式动画 · DMA工作流程

DMA控制器独立完成数据传送，只需在开始和结束时中断CPU。步进观察完整流程。

4. 通道方式

通道分为三类：

• 字节多路通道：服务于多台低速字符设备，按字节分时轮转。
• 数组选择通道：服务于高速块设备，一次只服务一台设备，传输完一块再切换。
• 数组多路通道：结合上两者，可分时服务多台高速设备，每次传输一块。

5.2 SPOOLing 技术

SPOOLing 系统的组成：

• 输入井和输出井：磁盘上的两个存储区，模拟脱机输入/输出的磁带。输入井收容低速设备输入的数据；输出井收容 CPU 输出的数据。
• 输入缓冲区和输出缓冲区：内存中的缓冲区，暂存输入井↔设备、输出井↔设备之间的数据。
• 输入进程和输出进程：模拟脱机的外围控制机，控制 I/O 传输。

SPOOLing 的典型应用——共享打印机：

• 打印机是独占设备，多个进程直接使用会产生等待。
• SPOOLing 为每个打印请求在输出井中建立空文件，将打印数据暂存。
• 输出进程依次从输出井取出数据送给打印机。
• 宏观上多进程"同时"使用打印机，独占设备变为共享设备。

5.3 缓冲区管理

引入缓冲的目的是：缓和 CPU 与 I/O 设备速度不匹配的矛盾；减少对 CPU 的中断频率；提高 CPU 与 I/O 设备的并行性。

1. 单缓冲 (Single Buffer)

系统在主存中为每个 I/O 操作分配一个缓冲区。设备先将数据送入缓冲区，CPU 从缓冲区取数据处理。两者交替使用同一个缓冲区。

2. 双缓冲 (Double Buffer)

分配两个缓冲区。设备向一个缓冲区输入数据的同时，CPU 可从另一个缓冲区取数据处理。两者可并行工作。

3. 循环缓冲 (Circular Buffer)

多个缓冲区组成循环队列。生产者指针 (in) 和消费者指针 (out) 分别指向下一个可写入和可读取的位置。适合输入输出速度不匹配的场合。

4. 缓冲池 (Buffer Pool)

多个缓冲区组成公用缓冲池，可供多个进程共享。缓冲池中的缓冲区按状态分为：空缓冲队列、输入队列、输出队列。既可用于输入也可用于输出，利用率高。

缓冲区管理伪代码

// 单缓冲：CPU 与设备串行使用同一个缓冲区
void SingleBuffer_IO(){
  while(true){
    device_read(buffer);        // 设备写入缓冲区
    cpu_process(buffer);       CPU 从缓冲区读取处理
    // 二者串行：max(T,C)+M
  }
}

// 双缓冲：CPU 与设备并行
void DoubleBuffer_IO(){
  int buf[2];
  int in = 0, out = 1;
  device_read(buf[in]);          // 先装满 buf[0]
  while(true){
    par {                               // 并行执行
      device_read(buf[in]);    // 设备向 buf[in] 写入
      cpu_process(buf[out]);   CPU 从 buf[out] 读取
    }
    in = 1-in; out = 1-out;  // 交换
  }
}

// 循环缓冲：in/out 指针环形使用
const int N = 10;              // 缓冲区数量
Buffer ring[N];
int in = 0, out = 0, count = 0;

void Producer(){
  while(true){
    if(count == N) sleep();     // 缓冲区满
    ring[in] = produce();
    in = (in+1) % N;
    count++;
  }
}

void Consumer(){
  while(true){
    if(count == 0) sleep();  // 缓冲区空
    data = ring[out];
    out = (out+1) % N;
    count--;
    consume(data);
  }
}

5.4 设备分配与回收

设备分配的数据结构：

• 系统设备表 (SDT)：记录系统中所有设备，每个设备占一个表项。
• 设备控制表 (DCT)：每个设备一张，记录设备类型、标识符、状态、COCT 指针、等待队列。
• 控制器控制表 (COCT)：每个控制器一张。
• 通道控制表 (CHCT)：每个通道一张。

设备分配方式：静态分配（作业级，运行期间独占，利用率低）和动态分配（进程级，按需申请释放）。设备独立性：用户使用逻辑设备名申请，系统通过 LUT 映射到物理设备。

5.5 I/O 软件层次结构

I/O 软件采用分层设计，每层利用下层提供的服务实现新功能，向上层屏蔽下层细节。从低到高分四层：

I/O 请求处理流程

• 用户进程调用库函数（如 printf）
• 用户层软件将请求转为 write 系统调用，陷入内核
• 设备无关软件检查缓冲区，分配设备，将请求加入请求队列
• 设备驱动程序取出请求，向设备控制器写入命令寄存器，启动 I/O
• 设备完成后产生中断，中断处理程序响应中断，唤醒等待进程

I/O 应用程序接口

操作系统为应用程序提供了一组标准化的 I/O 接口，屏蔽底层设备的差异。按设备类型分类：

1. 字符设备接口

字符设备以字节流的形式访问，不支持随机寻址。典型接口：open、read、write、close。常见字符设备：键盘、鼠标、串口、终端。字符设备通常以流的方式顺序访问，无块结构。

2. 块设备接口

块设备以固定大小数据块为单位访问，支持随机寻址。典型接口：open、read、write、seek、ioctl。常见块设备：磁盘、SSD。块设备支持随机读写任意位置的数据块，OS 通过缓冲区/页缓存优化块设备的访问。

3. 网络设备接口 (Socket)

网络设备通过 Socket（套接字）接口访问，不同于传统的 read/write 模型。典型接口：socket、bind、listen、connect、accept、send、recv。网络通信使用报文而非字节流/块。

阻塞 I/O vs 非阻塞 I/O

同步 I/O vs 异步 I/O

5.6 固态硬盘 SSD [22新增]

SSD 结构

SSD 主要由两大部分组成：

• 闪存芯片 (NAND Flash)：存储数据的核心介质。以页 (Page)为最小读写单位（通常 4KB~16KB），以块 (Block)为最小擦除单位（通常 128~512 页，即几 MB）。
• SSD 控制器 (Controller)：负责管理闪存芯片的读写、垃圾回收、磨损均衡、坏块管理、缓存管理等。控制器内包含嵌入式处理器、RAM 缓存和固件。
• FTL (Flash Translation Layer)：控制器中的核心软件层，将逻辑块地址 (LBA) 映射到物理闪存位置。FTL 是实现 SSD 高性能和长寿命的关键。

SSD 读写特性

磨损均衡 (Wear Leveling)

为延长 SSD 寿命，控制器通过 FTL 实现磨损均衡，使所有块的擦写次数均匀分布：

• 动态磨损均衡：仅对空闲块进行均衡——写新数据时优先选择擦除次数最少的空闲块。简单但不能均衡已存储"冷数据"的块。
• 静态磨损均衡：对所有块（包括存放不变数据的块）进行均衡——定期将"冷数据"从擦除次数少的块迁移到擦除次数多的块，释放出低磨损块。效果更好但开销更大。

垃圾回收 (Garbage Collection, GC)

由于写前擦除的特性，当需要擦除一个块时，该块中可能仍包含有效数据（未被删除/更新的页）。GC 过程：

• 选择一个待回收的块 → 将该块中的有效页迁移到其他空闲位置 → 擦除该块（现在全是无效页）→ 该块变为空闲块可重新使用。
• GC 是 SSD 写入性能波动的主要原因——当空闲块不足时触发 GC，会显著增加写延迟（称为"写放大" Write Amplification）。

SSD vs HDD 对比